ГАОУ СПО СО «КРАСНОТУРЬИНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ»
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО РАЗДЕЛУ
Измерительная техника
ДИСЦИПЛИНЫ
Раздел 1. Общие сведения об измерениях
Раздел 2. Измерение теплотехнических величин
Тема 2.1. Измерение температуры
Общие сведения о температуре
Температура – степень нагретости тела, она пропорциональна кинетической энергии тела. Температура наряду с давлением и объемом характеризует состояние вещества. Если в системе тел температура различна, то более нагретое тело отдает тепло менее нагретому. Измерить температуру тела непосредственно (как, например, измеряют длину, массу, время) не возможно, так как в природе не существует эталона температуры. Для определения температуры тела можно использовать явления, которые происходят под действием тепла (расширение вещества, изменение электрического сопротивления, излучение нагретого тела, возникновение термоЭДС, изменение давления). Эти процессы положены в основу устройств для измерения температуры. Таким образом, измерение температуры основано на наблюдении за изменением физических свойств другого вещества, которое вступает в равновесие с телом, температура которого определяется. Это вещество называется термометрическим или рабочим. Такой метод дает не абсолютное значение температуры, а разность меду исходной температурой рабочего вещества, условной принятой за нуль, и температурой, полученной при установлении равновесия с телом. Для определения температуры используют те физические свойства вещества, которые изменяются однозначно при изменении температуры, не подвержены влиянию других факторов и легко поддаются измерению. Это объемное расширение, изменение давление в замкнутом объеме, изменение электрического сопротивления, возникновение термоЭДС, интенсивность излучения.Перечисленные свойства положены в основу устройства приборов для измерения температуры.
Классификация приборов для измерения температуры
В настоящее время применяемые методы измерения температуры делят на контактные и бесконтактные. В контактном методе требуется непосредственный контакт первичного преобразователя с контролируемой средой. Все средства измерения, применяемые при этом методе, называются термометрами. Это термометры расширения (жидкостные стеклянные, манометрические, биметаллические), термометры сопротивления, термоэлектрические термометры, кварцевые преобразователи температуры в частоту. В состав термометра, как правило, входит термопреобразователь, линия связи и измерительный прибор.
Бесконтактный метод позволяет определять температуру на расстоянии от контролируемой среды. Средства измерения, применяемые при бесконтактном методе, называются пирометры. В состав пирометра входит пирометрический преобразователь.
Наиболее распространенные средства измерения приведены в табл.4.
Табл. 4
Прибор для измерения температуры | Диапазон измерений, |
Термометры расширения | 190-650 |
Манометрические термометры | 160-600 |
Термометры сопротивления | 200-650 |
ТЭТ | 50-1800 |
Пирометры | 300-6000 |
Термометры расширения – основаны на свойстве тел изменять под действием температуры свой объем.
Термометры манометрические – основаны на изменении давления вещества при изменении температуры
Термометры сопротивления – основаны на изменении эл сопротивления металлических проводников при изменении температуры
ТЭТ – основаны на создании в термопаре термоЭДС, зависящей от температуры.
Пирометры – основаны на зависимости излучения нагретых тел от температуры.
Поправки к ртутным термометрам
При точных измерениях температуры с помощью ртутных термометров к их показаниям вводят следующие поправки:
- основная , принимается из свидетельства прибора
- на температуру выступающего столбика ртути, вводится только к показаниям образцовых и лабораторных приборов, когда часть ртутного столбика выступает из защитной гильзы, а измеряемая температура значительно превышает температуру окружающего воздуха.
- на смещение положения нулевой точки , периодически определяется в процессе эксплуатации.
Схема включения термоэлектрических термометров
Градуировочные характеристики ТЭП рассчитаны на постоянную температуру свободных концов, равную например О . Если при измерении эта температура отличается от О, необходимо ввести поправку. На практике это можно сделать смещением указателя вторичного прибора. Но температура свободного конца термопары зависит от температуры окружающего воздуха и является не постоянной. Чтобы учесть отклонение температуры свободных концов от О, поправка вводится автоматическим устройством (компенсирующее устройство). Оно может быть выполнено в виде отдельного блока или встраиваться во вторичный прибор. Для измерения температуры свободных концов компенсатор имеет термочувствительный элемент, температура которого 0. Компенсатор располагается рядом со свободными концами термопары для измерения температуры.
При прокладке между ТЭП и вторичным прибором соединительной линии свободные концы термопары в головке ТЭТ будут расположены в зоне высоких температур, а компенсатор в зоне низких температур. Чтобы отнести концы термопары в зону низкой температуры, применяют термоэлектродные удлиняющие провода, состоящие из металлов, имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термопроводами термометра.
Необходимость применения удлиняющих проводов отпадает при использовании термопар со встроенных в головку нормирующим преобразователем, в котором вводится поправка на изменение температуры свободных концов.
Рассмотрим принцип действия компенсационного устройства УК. УК служит для компенсации влияния изменений температуры свободных концов термопары на показания вторичного прибора. Основной схемой устройства является четырехплечий неуравновешенный мост с источником питания постоянного напряжения. Мост состоит из трех резисторов постоянного сопротивления, и одного резистора, сопротивление которого увеличивается с ростом температуры. (рис.19). Термометр и вторичный прибор включаются в цепь последовательно в диагональ моста ab, а источник тока и добавочный резистор (для ограничения потребляемого мостом тока) в диагональ cd. При температуре, на которую настроен мост, например 0, мост находится в состоянии равновесия. Потенциалы в вершинах a и b равны. Компенсатор при этом не оказывает влияния на значение создаваемой термоЭДС. При отклонении температуры равновесие моста нарушается и между вершинами a и b появляется разность потенциалов, равная по значению изменению термоЭДС термометра, и противоположная ему по знаку. Таким образом, показание термометра будет зависеть только от температуры рабочих концов. УК работает при температуре окружающего воздуха от 0 до 40 . УК и источник питания устанавливают вблизи термометра.
Для уменьшения стоимости возможно подключение к одному вторичному прибору нескольких однотипных термометров с помощью двухполюсного переключателя.. Подключение удлиняющих проводов к соединительным проводам происходит в сборной коробке с зажимами. Температура в коробке не влияет на показания термометра, если она одинакова для всех зажимов.
Неуравновешенные мосты
Неуравновешенный мост из-за невысокой точности применяется только для промышленных измерений. Рассмотрим схему неуравновешенного моста (рис. 28). В три плеча моста включены постоянные резисторы R1, R2, R3, а в четвертое или контрольный резистор Rк, или термометр сопротивления (в зависимости от переключателя И). К диагонали моста ab подключают источник тока Б и реостат для установки рабочего тока R. К диагонали cd – милливольтметр mV с внутренним сопротивлением Rм. При измерении переключатель устанавливают в положение И, в зависимости от величины сопротивления Rт через рамку милливольтметра потечет ток и стрелка прибора отклонится на соответствующую величину. Чем сильнее будет отклонение от первоначального равновесия, тем сильнее отклонится стрелка. Недостатком неуравновешенного моста является необходимость систематической проверки напряжения на его вершинах.
Монохроматические пирометры
Воспринимают излучение в таком узком диапазоне волн, что оно является монохроматическим.
Пирометры спектрального соотношения
Пирометры спектрального соотношения показывают действительную температуру.
Пирометры спектрального соотношения основаны на зависимости температуры тела от отношения спектральной энергетической яркости двух фиксированных длин волн. Пирометр состоит из светоделительного фильтра (для разделения потока), 2-х фотодиодов (принимают излучение) с усилителями. Сигнал от усилителей поступает в устройство преобразования, которое устанавливает соотношение между сигналами.
Классификация приборов для измерения давления
Приборы для измерения давления называются манометрами. Приборы для измерения разности давлений – дифференциальными манометрами. Все манометры делят на группы:
· Барометры – служат для измерения атмосферного давления.
· Манометры избыточного давления – служат для измерения давления выше атмосферного.
· Вакуумметры – служат для измерения вакуумметрического давления.
· Манометры абсолютного давления – служат для измерения абсолютного давления.
· Мановакуумметры – для измерения разряжения и избыточного давления.
· Напоромеры и тягомеры – для измерения небольшого избыточного или вакуумметрического давления (до 40кПа=0,4кгс/см2). Приборы для измерения вакуумметрического и избыточного давления в указанном диапазоне называются тягонапоромерами.
В зависимости от принципа работы приборы для измерения давления делят на группы:
· Жидкостные
· Деформационные
· Грузопоршневые
· Электрические
· Ионизационные
· Тепловые
Дифференциальные манометры
Дифманометры служат для определения разности давлений между двумя точками измерения. Особенно часто применяются в расходомерах с сужающим устройством. По принципу действия аналогичны жидкостным манометрам.
По назначению бывают лабораторными (жидкостные) и промышленными (дифманометры-расходомеры). По конструкции – жидкостные, механические, электрические
Жидкостные относятся к двухтрубным приборам.
Установка и поверка деформационных электрических манометров и вторичных приборов
Деформационный электрический манометр рекомендуется устанавливать вблизи места отбора давления, в удобном для монтажа и обслуживания месте, где нет воздействия вибрации, высокой температуры, пыли, агрессивных газов т.д.Они должны быть удалены от сильных источников переменных магнитных полей (э/двигателей, трансформаторов и т.д.). Правила прокладки соединительной линии – как для деформационных манометров.
Требования к установке вторичных приборов, как к установке милливольтметров, логометров, потенциометров и т.д.
Поверка включает в себя внешний осмотр прибора, установку электрического нуля, проверку герметичности узла чувствительного элемента, определение основной погрешности и вариации выходного сигнала. Поверка производится с помощью образцового манометра (грузопоршневой, трубчато-пружинный образцовый) и образцового прибора для измерения выходного электрического сигнала.
Ионизационные манометры
Используют для измерения давления в диапазоне 10-1 – 10-8Па. Основной элемент манометра – стеклянная лампа, содержащая катод, который находится внутри анодной сетки, окруженной ионным цилиндрическим коллектором. Принцип действия основан на зависимости величины тока от разряжения.
Тепловые манометры
Применяют для измерения давления 1-104Па. Принцип действия основан на зависимости температуры вольфрамовой нити от давления в камере, где она находится.
Установка и поверка вакуумметров и мановакуумметров
Устанавливаются так же, как жидкостные и деформационные манометры. Значение имеет плотность соединительной линии. Чем большее длина соединительной трубки и меньшее ее сечение, тем больше будет погрешность. Все места соединений уплотняются.
Проверка плотности соединительной линии производится также, как линии тягонапоромера.
На показании прибора отражается образование водяных пробок при конденсации в соединительной линии. Поэтому линии прокладывают без перегибов, с уклоном.
Поверка деформационных вакуумметров и мановакуумметров производится путем сравнения с образцовыми грузопоршневыми манометрами, трубчато-пружинными или ртутными приборами. Для создания вакуума используют вакуум-насос.
Тема 2.3. Измерение расхода, количества, уровня
Расходомеры постоянного перепада давлений
Наиболее распространены в этой группе ротаметры (рис. 52). Простейшая схема прибора представляет собой вертикальную конусную трубку (стеклянную или металлическую), внутри которой свободно плавает поплавок. Между бортиком поплавка и внутренней стенкой трубы образуется кольцевой зазор, который увеличивается при подъеме поплавка средой. При прохождении среды через зазор, поток разгоняется, давление падает. Возникает перепад давлений. Принцип действия ротаметра основан на уравновешивании силы тяжести поплавка и силы давления на него среды. Положение поплавка в трубе соответствует расходу. Достоинством прибора является равномерная шкала. Для лабораторных измерений выпускают стеклянные ротаметры, для промышленности – металлические. Металлические являются безшкальным приборами с дифференциально-трансформаторным преобразователем, и работают в комплекте с вторичными приборами.
Автоматические весы
Для измерения количества твердого топлива используют весы, определяющие массу различными способами. Автоматические весы служат для механизированного взвешивания и суммирования результатов измерений при помощи счетного устройства. Автоматические весы бывают вагонные (устанавливаются на ж/д путях) и конвейерные (на транспортерах).
Измерение уровня
В КА большое значение имеет определение уровня воды в барабане. Так как мощные КА имеют ограниченный водяной запас, уровень воды при прекращении питания может опуститься ниже предельной отметки за несколько минут.
Приборы для измерения уровня:
- уровнемеры с визуальным отсчетом (указательные стекла) – служат для измерения уровня без дистанционной передачи показаний;
- гидростатические;
- буйковые и поплавковые;
- емкостные;
- индуктивные;
- радиоволновые;
- акустические;
- термокондуктометрические;
Уровнемеры с визуальным отсчетом
В КА за наблюдением уровня воды применяют указательные стекла. Они являются частью арматуры котла. Показания водоуказательного стекла обычно занижены. Основной источник погрешности – разность плотностей в барабане и стекле из-за разности температур. С понижением уровня в барабане паровой уровень в стекле увеличивается и за счет обогрева паром разность температур снижается. Это приводит к понижению погрешности. С повышением давления в КА погрешность возрастает.
Водоуказательное стекло представляет собой стеклянную трубку (рис. 59), нижний конец которой сообщается с водяным пространством барабана, а верхний с паровым.
Уровнемеры для резервуаров
Поплавковые и буйковые уровнемеры
Используются в резервуарах под атмосферным или небольшим избыточным давлением. Уровень определяют по положению поплавка (рис.61). Поплавок соединяется с указателем при помощи гибкой механической связи. В буйковых уровнемерах чувствительным элементом является буек – цилиндр, который подвешен с помощью пружины вертикально и частично погружен в среду. При изменении уровня изменяется усилие, с которым пружина действует на буек, при значительном перемещении буек перемещается.
Гидростатические уровнемеры
Рассмотрим принцип действия (рис. 60). Уровнемер состоит из однокамерного уравнительного сосуда 1 и сильфонного механического или мембранного дифманометра-уровнемера 2. При измерении уровня в открытых сосудах плюсовая трубка дифманометра присоединяется к нижней части резервуара, а минусовая к уравнительному сосуду, сообщающемуся с атмосферой. При измерении уровня в закрытых сосудах под давлением плюсовая трубка дифманометра сообщается с закрытым уравнительным сосудом, соединенным с верхней частью резервуара, а минусовая – с нижней частью резервуара.
Радиоизотопные уровнемеры
Для непрерывного измерения уровня жидкости агрессивных сред применяют радиоизотопные уровнемеры, которые работают без соприкосновения с жидкостью. Принцип действия их основан на пропускании через резервуар гамма-лучей. При изменении уровня жидкости между приемником и излучателем происходит изменении интенсивности излучения. Эти приборы ввиду опасности для обслуживающего персонала имеют ограниченное применение.
Емкостные уровнемеры
Принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от уровня жидкости. Конденсаторный преобразователь (стержни, пластины, цилиндр) частично вводится в среду. Если жидкость неэлектропроводна, то оба электрода не изолированы. Для электропроводной жидкости один электрод покрыт изоляцией. Такие уровнемеры просты, дешевы, работают в широком диапазоне температур и давлений. Недостатки – зависимость от вязкости, кристаллизации жидкости и пленкообразования.
Индуктивные уровнемеры
Принцип действия основан на зависимости индуктивности катушки от глубины погружения в электропроводную среду. На результат измерений влияет температура (вследствие изменения сопротивления).
Радиоволновые уровнемеры
Основаны на зависимости параметров колебаний электромагнитных волн от высоты уровня жидкости.
Ультразвуковые уровнемеры
Бывают локационными (более распространены), уровнемерами поглащения и резонансными. В локационных ультразвуковые волны отражаются от границы раздела сред жидкость-газ. Положение уровня определяется по времени прохождения колебаний от источника до приемника. Измерения возможны как со стороны газа, так и со стороны жидкости. В уровнемерах поглощения уровень определяют по ослаблению колебаний при прохождении границы жидкость-газ. В резонансных измеряется собственная частота колебаний столба газа над жидкостью.
Термокондуктометрические уровнемеры
Элементом электрической цепи этих приборов является нагреваемый током резистор с большим температурным коэффициентом сопротивления. Сопротивление зависит от уровня жидкости.
Тема 2.4. Анализ уходящих газов
Автоматические газоанализаторы
Тема 2.6 Специальные измерения